太陽能輔助加熱戶用沼氣池

摘 要

摘要：戶用沼氣是我國農村能源的重要組成部分。本文針對北方寒冷地區冬季氣溫低、沼氣產氣少、利用率低等問題，設計了保溫沼氣池并結合家用太陽能熱水器，提出了太陽能輔助加熱戶
摘要：戶用沼氣是我國農村能源的重要組成部分。本文針對北方寒冷地區冬季氣溫低、沼氣產氣少、利用率低等問題，設計了保溫沼氣池并結合家用太陽能熱水器，提出了太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統。利用現場收集的運行數據，分析了該系統的實用性。
關鍵詞：戶用沼氣池；太陽能熱水器；輔助加熱；運行測試
Household Biogas Digester Heated By Solar-Collector
College of mechanical engineering，Tongji University，Zhang Yangjun，Qin Chaokui，Chen Zhiguang
Abstract：Household biogas has been an important part of rural energy in China.In northern part of China，gas production of conventional biogas digester reduces much due to low fermentation temperature.A biogas digester with effective insulation，integrated with solar-collectors was put forward and cxperimentally researched in this paper.Performance data from in-site operation was analyzed to make economic benefit assessment.
Keywords：household biogas digester；solar collectors；auxiliary heating；operation measurement
1 引言
    我國沼氣事業開始于1930年前后，經過幾十年的發展，沼氣已成為我國農村生活用能的重要來源之一。“十一五”期間，巾央累計投入農村沼氣建設資金212億元，其中2008年、2009年和2010年分別投入60億元、50億元和52億元。截至2010年，我國戶用沼氣已達到4000萬戶，占全國農戶的33%，受益人口達1.55億人，建設各種類型的沼氣工程5.6萬多處，沼氣年產量140億m3，相當于我國全年天然氣產量的16%，預計到2020年沼氣年產量將達至1440億m3。
    作為一種歷史最悠久的生物質能利用技術，戶式沼氣在應用中存在一些問題，如：單位池容產氣量低下、燃燒裝置受成本限制性能不穩定、沼氣池的熱工制度方面尚缺乏系統的研究等。出于建設成本的考慮，絕大部分的戶式沼氣池很少使用有效的保溫措施，導致我國北方寒冷地區大量沼氣池在冬季處于不產氣或凍結狀態，嚴重制約了農村戶用沼氣技術的發展及推廣。
    針對這一問題，本文設計了一種太陽輔助加熱戶用沼氣池系統。在沼氣池內設置換熱盤管和攪拌裝置。夏季，沼氣池與太陽能分開工作；冬季，利用太陽熱水器的低溫熱水間接加熱沼氣池。通過現場測試獲取的運行數據，對該系統的實用性進行了分析。初步結果表明，沼氣池的保溫與太陽輔助加熱可實現太陽能與沼氣的互補，充分發揮二者優勢，具有良好的實用性。
2 溫度對沼氣池產氣的影響
    沼氣是有機物質在一定溫度、濕度、pH值和隔絕空氣條件下經微生物發酵而產生的可燃性氣體。影響發酵過程的因素很多，其中發酵溫度尤為重要。在我國農村，沼氣池發酵溫度隨氣溫的變化而變化，沼氣產氣率變化很大。試驗表明：池溫低于10℃，發酵菌幾乎處在休眠狀態，沼氣池基本停止產氣；當池溫在15℃以上時，沼氣發酵才能較好地進行，產氣率為0.1m3/(m3·d)-0.2m3/(m3·d)；池溫在20℃以上時，產氣率可達0.4m3/(m3·d)-0.5m3/(m3·d)。圖1是沼氣發酵溫度對產氣率的影響曲線[3]。
 

   我國北方地區冬季寒冷漫長，氣溫、地表溫度較低，沼氣池產氣率低，無法滿足農戶需求，導致冬季農村沼氣池存在大量閑置問題。極端寒冷時期，甚至出現冬季凍裂沼氣池的現象，造成沼氣池停用。為解決這一問題，在嚴寒和寒冷地區，沼氣池必須采取必要的保溫和加熱措施。在農村沼氣應用中，傳統模式的保溫加熱方法在實際應用中存在一定的局限性和不便。如隔熱材料保溫技術[4～6]，雖有一定效果但只能延緩料液降溫的速度，但在冬季極端寒冷時期不能保證發酵過程正常運行，且秸稈稻草類保溫效果較差，經濟性、防水性等方面還有待進一步改進；塑料暖棚增溫技術，利用太陽能為系統提高溫度，但系統需配建塑料大棚，占地較大，推廣受到當地實際條件限制[7～8]；燃料燃燒加熱技術，通過燃煤或秸稈等生物質直接加熱或通過熱水間接加熱沼氣池，傳統方法有燃池增溫技術、“豬-沼-炕”增溫技術、秸稈廢棄物的燃燒、熱水鍋爐加熱法等，該類方法需要消耗一定的化石或生物質燃料，在燃燒過程中造成污染，且經濟性不高。
    近年來，隨著太陽能熱水器日益普及、成本下降，以及利用聚氨酯發泡材料進行保溫的玻璃鋼制沼氣池技術的發展，為沼氣池加熱技術提供了新思路。基于此，本文設計了太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統，并結合理論分析計算和現場的連續跟蹤測試，對其實際應用及推廣價值進行研究。
3 太陽能輔助加熱沼氣池系統
3.1 系統介紹
    太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統，主要是利用太陽能熱水器吸收太陽熱量提高水溫，通過水循環，加熱沼液，從而提高冬季沼氣池產氣溫度，利于產氣。系統如圖2所示，主要包括：水壓式保溫沼氣池(8m3)、家用太陽能熱水器(200L)、控制柜和數據采集模塊、位于沼氣池內的加熱盤管與攪拌裝置、電加熱帶、沼氣包、循環水泵、氣表、脫硫器以及水管路配件和溫度傳感器等。
3.2 系統控制功能
    整個系統通過控制柜進行控制運行?？刂乒裨O有簡單的“冬”、“夏”模式切換，夏季太陽能與沼氣池獨立工作；冬季太陽能熱水器集熱，通過沼氣池內部加熱盤管進行加熱，同時攪拌開啟增強換熱效果。控制柜的循環控制功能主要包括以下3種：
    (1) 溫差循環控制：利用溫度傳感器監測太陽能水箱內的水溫T2和沼氣池內的溫度T1。當T2大于T115℃時(系統中控制溫度均可根據各地區實際情況進行單獨設置)，循環水泵啟動，同時攪拌電機啟動，把太陽能熱水的熱量換給沼液；T2與T1差值達到5℃時，循環水泵和攪拌電機延時1min后停止工作。當沼氣池溫度高于25℃時，循環停止。因為冬季太陽能熱水器的溫度一般不高，而沼氣池位于地下、散熱緩慢，通過溫差控制循環的方式可保證系統循環加熱的效率，同時避免傳熱過程的附加能耗過大。
    (2) 防凍循環控制：考慮到北方地區冬季氣溫低，與太陽能熱水器連接的水管系統可能凍結。為防止此情況發生，在管路適當位置設置溫度傳感器，當管路水溫低于4℃時，水泵啟動循環，當高于8℃時水泵停止。特殊極端天氣可人工排空集熱系統、以防集熱管凍結。
    (3) 自動補水控制：系統為開式，當太陽能熱水器內水量低于設定值時，實現自動補水。顯示器顯示儲水箱中水位，可進行人工水位控制。
3.3 數據采集系統
    數據采集系統主要通過ADAM4018數據采集模塊、ADAM4015數據采集模塊、ADAM4080數據采集模塊、ADAM4520數據轉換器、10V-30V直流電源、電腦和HLabVIEW程序來實現。
    ADAM4015采集模塊主要對沼氣池內各溫度測點、換熱盤管進出水溫度以及太陽能水箱溫度進行監測和采集。
    ADAM4018采集模塊主要對土壤溫度各測點進行溫度監測和采集，同時對循環水泵、攪拌機、電加熱帶的工作狀態及工作時長進行監測。
    ADAM4080采集模塊主要對氣表脈沖信號進行監測，通過信號變化可以直接讀取產氣量。
    所有采集模塊采得的信號通過ADAM4520數據轉換模塊將信號輸入電腦，通過LabVIEW程序進行數據實時顯示和Excel存儲，便于后期跟蹤處理。
    系統所用的溫度傳感器為Pt100熱電阻(用于沼氣池內沼液溫度及換熱盤管進出水溫監測)和銅康銅熱電偶(用于土壤溫度監測)。各溫度測點分布及信號傳輸如圖3所示，沼氣池內部3支Pt100熱電阻(分別距沼氣池頂部600mm、1200mm、1800mm)；土壤溫度測點4支銅康銅熱電偶(分別距地面600mm、1100mm、2000mm、2200mm)；換熱盤管進、出口2支Pt100熱電阻。

4 系統運行分析
4.1 安裝初期系統效果分析
    為驗證該系統的實用性，在河北省石家莊市某地進行了實地測試，現場如圖4所示。
 

    系統于2010年2月12日安裝運行，配套的數據采集系統于2月13日開始工作，數據采集由電腦自動控制，采集頻率0.5Hz。
   系統安裝時石家莊正處于冬季，日均氣溫處于零度左右，水溫及接種物的溫度都較低，沼液溫度在10℃以下，因而系統初期需要輔以電加熱帶進行輔助加熱。隨各地區氣候條件及系統安裝時季節不同，電加熱帶工作時間將視情況進行控制，一般工作1天～3天后沼氣池內溫度便可升至15℃左右，此后電加熱帶停開，太陽能系統開啟運行。當天氣條件允許時，太陽能水箱溫度升高，溫差達到循環條件后，系統便進行熱水循環，通過熱水對沼液進行加熱，維持并使沼氣池溫度繼續升高。從實際系統運行情況來看，系統安裝完成后，需經一段時期(一般為兩周時間)的調試運行，才能進入正常產氣工作狀態。
4.2 冬季3月份系統運行效果分析
    對3月份所采得數據進行分析，通過分析在冬季太陽能水循環系統的運行效果、沼氣池溫度變化及產氣情況，來研究系統的實際應用效果。
4.2.1 3月份太陽能水箱日最高溫度與沼氣池溫度及日均氣溫變化如圖5所示
    由圖5可得：自2月13日系統安裝調試完畢后，在太陽能熱水循環作用下，3月初沼氣池內溫度已經升高并保持在17℃左右；3月份石家莊地區日均氣溫在10%左右，太陽能水箱溫度基本維持在30%以上；沼氣池通過保溫層及太陽能水循環作用下基本高于日均氣溫10℃左右；整個3月份沼氣池溫度升高并維持在20%左右，月底基本達到了25℃。
    太陽能熱水循環系統結合一定的保溫措施對沼氣池溫升及保溫的作用效果明顯。
 
    如圖6是3月2日中午11：00至下午17：O0，系統進行太陽能溫差循環溫度變化圖。圖中中午11點左右，太陽能水箱溫度達到29℃，溫差達到循環條件，系統溫差循環啟動。從11：00到17：O0，系統一共進行了3次溫差循環，整個循環共進行了6h左右，沼氣池內溫度由原先的16.5℃升高到17.5℃，可見效果明顯。
4.2.2 3月份沼氣池日產氣量如圖7所示
    由圖7可以看出：
    (1) 3月份隨著沼氣池內溫度的不斷升高，沼氣池日產氣量0.5m3/d以上；
    (2) 隨著池內沼液溫度的升高，日產氣量也隨之升高，最高達到了3.49m3，能夠滿足一天農戶日常生活需求。
   其中26日到28日，這3天日產氣量相比于其他時間要增加1m3，28日達到了3.49m3。究其原因，主要是農戶對沼氣池進行加料，由于沼氣池為水壓式，因此，加料過程中由于人為作用導致池內壓力發生變化，將池內氣體壓入氣包，氣表讀數增大；同時，加料后接下來幾天的沼氣池溫度都明顯高于先前溫度，達到了23℃，利于沼液發酵產氣，產氣量增加。
4.2.3 3月份能耗分析
    利用3月份記錄的當天設備運行時間及產氣量的數據，對能耗和產氣量進行經濟性比較。能耗主要以電能耗為主，包括水泵和攪拌機的電耗，水泵功率為1OOW，攪拌機功率為200W。所產沼氣按50%CH4和50%C02組分計算，熱值為18.89MJ/m3。整個3月份的循環耗電量及產氣量所對應的能量值如表1所示：
表1 耗電量及產氣量能耗分析
 
體積量
(m3)
折算能量
(MJ)
折算能量
(kcal)
電耗占產氣比例(%)
產氣量
26.98
509.65
121723
7.26
 
電量
(kWh)
折算能量
(MJ)
折算能量
(kcal)
耗電量
10.28
37.O1
8 839
    從表1可以看出：
    (1) 整個3月份由系統運行造成的電能消耗為10.28kWh，日耗電量為0.33kWh，總耗電量相當于37.01MJ能量值；沼氣池3月份的總產氣量為26.98m3，日產氣量為0.87m3，總產氣量相當于509.65MJ能量值；耗電量占產氣量比例為7.26%，電費在可承受范圍內；
(2) 每天只需消耗少量的電能就能產出日常生活所需沼氣量，解決了北方寒冷地區冬季沼氣池不產氣問題，實現了北方冬季沼氣由無到有，證明系統具有良好的實用性。
5 結論
    本文提出了一種以太陽能輔助加熱戶用沼氣池的沼氣池加熱保溫方法，即將已有的太陽能熱水器和沼氣池集成一種新的裝置，通過控制系統將兩者有機的結合在一起，對冬季沼氣池內沼液進行加熱，從而提高沼液溫度，提高產氣量，使冬季沼氣池產氣也能滿足一般農戶的家庭日常生活需求，實現沼氣池全年供氣。
    相比于傳統應用模式實現了太陽能與沼氣的互補，充分發揮二者優勢。河北省石家莊市某地的實際應用測試結果表明，系統每月只需消耗少量的電能，日均產氣量便能維持在0.8m3左右，證明該系統具有一定的實用性。
參考文獻
1 趙慶波，單葆國.世界能源需求現狀及展望[J]中國能源，2002；(02)：34-36
2 胡亞范，馬予芳，張永貴.生物質能及其利用技術[J]節能技術，2007；25(4)：344-347
3 林聰，王久臣，周長吉.沼氣技術理論與工程[M].北京：化學工業出版社，2007
4 鄭竹勝，王立穎.北方沼氣持續穩定發展措施探討.農業技術與裝備[J]，2010；02(B)：68-69
5 齊學義，季煒，董士奎等.基于太陽能及生物質能綜合利用的分布式能源系統探討[J]節能技術，2007；25(4)：348-350
6 石磊，鄭玉才，鄧春巖等.新型太陽能玻璃鋼沼氣池的設計[J].太陽能，2008；3：34-35
7 崔景峰，胡江.太陽能沼氣溫室綜合利用試驗[J]中國沼氣，1996；14(3)：38-40
8 徐效俊，耿新美.沼氣在太陽能大棚蔬菜生產中的應用[J]農村能源，1994；57(5)：27
 
(本文作者：張楊竣 秦朝葵 陳志光 同濟大學機械工程學院 201804)